CN110212747A - 一种基于动态峰值电流的无过冲Boost变换器启动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于动态峰值电流的无过冲Boost变换器启动控制方法，属于开关电源领域。该方法通过比较实时电感电流值与稳态时电感电流的极大值和极小值的大小，从而决定开关的关断还是导通；并且采用稳态时电感电流作为判断依据，可以适用于不同的负载和输入电压；动态所设计控制策略能够同时工作于启动过程和稳态过程并且能够同时实现输出电压和电感电流无过冲。

Description

一种基于动态峰值电流的无过冲Boost变换器启动控制方法
技术领域
本发明属于开关电源领域，具体涉及一种无过冲Boost开关电源启动控制的新方法。
背景技术
Boost变换器由于其输出电流大、结构简单、效率较高而广泛应用于不同的领域。一般情况下，由于输出端较大容量电容的作用，Boost变换器能够稳定输出电压，但在上电启动时，如果对开关管不加控制，将会导致电感或电容饱和，进而在电路回路中产生一个较大的过冲。如果不加抑制，不仅会导致电源暂态动态性能过差，还会引起供电侧跳闸，甚至损坏电路中的半导体器件。
目前已有的开关变换器的一些暂态控制方法如滑膜变结构控制方法、Boost全桥电路启动控制和Boost变换器暂态控制策略等方法都可以改善这个问题，但是都存在一定的不足，比如滑模变结构控制可以有效抑制电压过冲，但是不能同时抑制电感电流过冲；Boost全桥电路启动控制虽然可以通过增加有源箝位电路来控制电路工作状态从而抑制电感电流，但是电路复杂，成本较高；而Boost变换器暂态控制策略虽然采用电感电流作为决策条件能实现暂态变化过程时对电流的抑制作用，但是到达稳态时又需要切换为相应的稳态控制策略并且判断条件比较复杂，除此之外，该策略中选取的是固定的电感电流阈值作为判断依据，当电路负载或输入电压发生变化时，影响该策略的正确判断。因此，需要一种实时动态并且同时适用于暂态和稳态两种过程的Boost变换器启动控制策略来解决Boost电路启动过程中输出电压和电感电流过冲的问题。
发明内容
针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于动态峰值电流的无过冲Boost变换器启动控制策略的设计方法，其电感动态峰值电流会根据负载和输入电压的变化而变化，通过比较实时电感电流和电感动态峰值电流的大小来控制开关导通还是关断，从而防止电压电流过冲。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于动态峰值电流的无过冲Boost变换器启动控制方法，包括以下步骤：
步骤1：设置稳态输出电压参考值Vr、电感值L、电容值C、负载值，电感电流纹波ΔiL；
步骤2：实时采样输入电压vcc、电感电流iL、和输出电流io，并对采样值进行归一化处理分别得到vccn、iLn和ion；
步骤3：由步骤2归一化处理后的输出电流值ion和输入电压值vccn计算得出稳态时电感电流iLn,target；
步骤4：结合稳态时的纹波影响，修正稳态时电感电流，得到电感动态峰值电流K；
步骤5：比较实时归一化后的电感电流iLn与电感动态电流阈值，确认开关S状态，具体的控制策略为：
其中，ΔiLn为归一化后的电感电流纹波值。其中，ΔiLn为归一化后的电感电流纹波值。当实时电感电流小于稳态时电感电流极小值即iLn≤(K-ΔiLn)时，开关管S导通；当实时电感电流大于稳态时电感电流极大值即iLn＞K时，开关管S关断；当实时电感电流位于稳态时电感电流极小值与极大值之间即(K-ΔiLn)＜iLn≤K时，开关管S保持之前关断或导通状态不动作。
进一步地，步骤1所述负载值的负载为电流型负载或者电阻型负载等。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：(1)所设计控制策略能够同时工作于启动过程和稳态过程；(2)所设计控制策略能够同时实现输出电压和电感电流无过冲；(3)所设计控制策略电路结构以及判断条件简单，容易实现；(4)所设计控制策略采用动态峰值电流作为开关导通与关断判断依据，可以适用于不同的负载和输入电压。
附图说明
图1为本发明的电路基本结构图。
图2为本发明开关导通和关断拓扑图；
其中，(a)为开关导通拓扑图，(b)为开关关断拓扑图。
图3为使用PSIM进行仿真实验得到的定频启动下仿真结果图和状态空间平面轨迹图；
其中，(a)为使用PSIM进行仿真实验得到的定频启动下输出电压和电感电流仿真结果图，(b)为使用PSIM进行仿真实验得到的定频启动下状态空间平面轨迹图。
图4为本发明控制策略下使用PSIM进行仿真实验得到的仿真结果图和状态空间平面轨迹图；
其中，(a)为使用PSIM进行仿真实验得到的输出电压和电感电流仿真结果图，(b)为使用PSIM进行仿真实验得到的状态空间平面轨迹图。
图5为本发明控制策略的程序流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，其中S为开关管，D1、D2为二极管，L为电感，C为输出电容，IR为电流型负载。vcc为输入电压，vo为输出电压，io为输出电流，iL为电感电流。因为MOSFET管开关速度较快，控制逻辑相对简单，所以开关管S采用MOSFET管。CT1和CT2采用小体积CSM001A霍尔传感器用于电流检测。
数字控制器实时采样输入电压vcc、电感电流iL、输出电压vo、输出电流io，通过对采样值归一化可分别得到vccn、iLn、von、ion，其中归一化方法遵循如下规则：
其中代表系统阻抗，代表系统频率，Vr为输出参考电压，ix、vx和t代表实际电流、电压和时间，ixn、vxn和tn代表对应归一化后的电流、电压和时间。
因为在稳定工作点处输出电压von＝Vrn＝1，其中，Vrn为归一化后的输出参考电压，根据能量守恒定律可推导出稳态时电感电流为：
考虑稳态时的纹波影响后，电感动态峰值电流为：
由上式可以看出电感动态峰值电流会随着输出电流和输入电压变化而变化。
根据基尔霍夫电压电流定律由图2(a)所示开关导通电路拓扑图，可列如下归一化方程：
电感电流纹波为ΔiL、输出电压纹波为Δvo，因为导通电路有电感电流变化量与输出电压变化量之比存在关系为：
由上述(2)式和(5)式可得开关导通状态轨迹方程为：
考虑电感电流纹波和输出电压纹波影响，开关导通状态轨迹方程修正后不发生变化。
根据基尔霍夫电压电流定律由图2(b)所示开关关断电路拓扑图可列如下归一化方程：
由上述(2)式和(7)式可得开关关断状态轨迹方程为：
考虑电感电流纹波和输出电压纹波影响，开关关断状态轨迹方程修正为：
其中，
采用本发明控制策略进行了仿真实验，使用PSIM进行仿真实验，并设定输入电压vcc＝10V，稳态输出电压即参考值Vr＝22V，稳态开关频率为10KHz，电感电流纹波ΔiL＝1A，输出电压纹波Δvo＝0.5V，则取电感L＝532.8μH，电容C＝133.3μF，为实验方便采用电流型负载取IR＝1.2A。
不加控制策略的情况下10KHz定频启动的输出电压波形、电感电流波形如图3(a)所示，输出电压和电感电流都有很大过冲，在6ms时基本达到稳态，但是此时有低频振荡谐波，状态空间轨迹如图3(b)所示，图中横坐标von＝1表示达到规定的输出电压参考值即Vrn，由仿真结果可知定频启动的Boost变换器输出电压电感电流过冲很大并且还伴随有谐波振荡。
本发明控制策略的输出电压波形、电感电流波形如图4(a)所示，可以看出开始启动后电感电流迅速上升并达到稳态时电流，同时输出电压平缓上升，在6ms时基本到达稳态，由VPWM信号可以看出整个过程开关频率较低；运行状态空间轨迹如图4(b)所示，电感电流由零上升到动态峰值电流后作出决策让开关关断，随后电感电流顺着修正后的开关关断轨迹线下降到相应电流极小值，此时作出决策让开关开通，电感电流又顺着修正后的开关导通轨迹线上升到动态峰值电流然后作出决策让开关关断，如此循环直到状态移动到状态空间平面在稳态时的状态点，由仿真结果可知本发明控制策略控制的Boost变换器在启动时没有输出电压和电感电流过冲，开关频率较低，仿真结果与理论分析一致。
本设计选择具有内部集成模数转换器AD和嵌入的高速Flash存储器的STM32作为整个电路系统的数字控制器，可以很好地实现数字控制，程序流程图如图5所示。当系统上电后，完成ADC、DMA、GPIO等外设配置，并给定稳态输出电压参考值Vr、电感值L、电容值C、电感电流纹波ΔiL、输出电压纹波Δvo、开关频率。进入实时采样阶段，程序首先读取实时输入电压vcc、电感电流iL、输出电压vo、输出电流io，通过对采样值归一化可分别得到vccn、iLn、von、ion。本发明控制策略中，先判断iLn是否小于等于K，若iLn≤K则进一步判断是否有iLn≤(K-ΔiLn)即电感电流小于等于稳态电流极小值，若是则开关管S导通，否则开关管保持前一时刻状态不动作，若iLn＞K即电感电流大于动态峰值电流，则开关管S关断。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种基于动态峰值电流的无过冲Boost变换器启动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设置稳态输出电压参考值Vr、电感值L、电容值C、负载值，电感电流纹波ΔiL；
步骤2：实时采样输入电压vcc、电感电流iL、和输出电流io，并对采样值进行归一化处理分别得到vccn、iLn和ion；
步骤3：由步骤2归一化处理后的输出电流值ion和输入电压值vccn计算得出稳态时电感电流iLn,target；
步骤4：结合稳态时的纹波影响，修正稳态时电感电流，得到电感动态峰值电流K；
步骤5：判断开关S状态，具体的控制策略为：
其中，ΔiLn为归一化后的电感电流纹波值。当实时电感电流小于稳态时电感电流极小值即iLn≤(K-ΔiLn)时，开关管S导通；当实时电感电流大于稳态时电感电流极大值即iLn＞K时，开关管S关断；当实时电感电流位于稳态时电感电流极小值与极大值之间即(K-ΔiLn)＜iLn≤K时，开关管S保持之前关断或导通状态不动作。
2.如权利要求1所述基于动态峰值电流的无过冲Boost变换器启动控制方法，其特征在于，步骤1所述负载值的负载为电流型负载或者电阻型负载。
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